电子基础知识-晶振

一、晶振

晶振在电路板中随处可见，只要用到处理器的地方就必定有晶振的存在，即使没有外部晶振，芯片内部也有晶振。

1、晶振概述

晶振一般指晶体振荡器。晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片），石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

2、晶振的工作原理

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。

如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个pF到几十pF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。

一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。

由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。

计算机都有个计时电路，尽管一般使用“时钟”这个词来表示这些设备，但它们实际上并不是通常意义的时钟，把它们称为计时器可能更恰当一点。

计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体，石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡，这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶体相关联，一个计数器和一个保持寄存器。

石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时，产生一个中断，计数器从保持寄存器中重新装入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程，令其每秒产生60次中断（或者以任何其它希望的频率产生中断）成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒。

晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。

一般的晶振的负载电容为15pF或12.5pF，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22pF的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

3、常见种类

我们常说的晶振，包含两种：晶振谐振器、晶振振荡器。

一种需要加驱动电路才能产生频率信号，这类晶振叫晶振谐振器，比如常见的49S封装、两脚封装的SMD3225 5032、少量四脚SMD封装。

一种不用加驱动电路，只需要加上电压信号，就能够产生频率信号，这种叫做晶振振荡器，基本上都是4脚封装，含有电源引脚、地引脚、频率输出引脚等。 4、主要参数选择

这里我们主要针对晶振谐振器，一般晶振的主要参数有：核心频率、工作温度、精度值、等效串联阻抗、匹配电容、封装形式等等。

晶振的核心频率：一般核心频率的选择取决于频率需求元件的要求，比如时钟芯片就需要32.768KHz的晶振，MCU一般是一个范围，基本上从4M到几十M都有。

晶振的工作温度：之所以把工作温度单独拿出来，主要是由于晶振是个物理的器件，工作温度与价格是成正比，工作温度要求越高，价格越高，所以选择晶振时也需要重点考虑工作温度。

晶振的精度值：精度一般常见的有0.5ppm、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±50ppm等等。

其中0.5ppm国内的目前只有通过数字补偿的才能做到，国外的有在3225甚至2016上实现高精度。

精度的选择一般要参考频率需求器件对精度的要求，比如高精度的时钟芯片一般在±5ppm以内，普通的应用都选择在±20ppm左右。

晶振的等效串联阻抗：这个参数主要是与驱动能力有关系，也就是说跟驱动电流有关系。

等效电阻小则需要的驱动电流就小。对外部驱动电路的适应能力就越高。

晶振的匹配电容：通过改变匹配电容的参数值，可以改变晶振的核心频率，也就是说可以通过调整晶振的匹配电容来对精度做微调，这也是目前国内做高精度温补晶振的主要办法。

5、封装形式

目前晶振的封装形式是多样的，需要根据自己的实际情况来进行选择，主要是根据板子的空间、加工方式、成本等方面来考虑。

6常见注意事项

一般来说，晶振是一个系统的核心器件，晶振的好坏直接关系整个系统的稳定性，需要注意的主要有以下几点。

与加工工艺有关系的有以下两个方面：

一个是过高温的回流焊，由于晶振是个物理器件，在过回流焊的时候高温可能会对晶振的频率造成一定的影响，偏离核心频率，这个在使用K级别晶振的时候需要特别注意。

一个是清洗流程中的超声波清洗，这个主要是超声波频率如果落在晶振的工作频率上就可能引起晶振的共振，导致晶振内部的晶片碎掉，出现不良。

通常应用上需要注意的是让晶振工作在稳定状态，很多出现晶振失效的情况都是晶振长期工作在过驱动或者是欠驱动状态，这个可以通过查看晶振的输出引脚波形可以分析。

过驱动可能导致晶振达不到正常的使用寿命，欠驱动可能导致晶振的抗干扰能力减弱，系统常常无故丢时钟。

7、抗干扰设计

由于晶振是个小信号器件，很容易受到外部的干扰，从而导致系统时钟出现问题。

这块主要从两个方面处理：

（1）一个是layout上注意晶振时钟信号的处理，常用的是包地处理。

（2）一个是对板上其他频率器件的处理，这个就需要做好不同频率间的隔离处理。

二、晶振与晶体的区别

1) 晶振是有源晶振的简称，又叫振荡器。英文名称是oscillator。晶体则是无源晶振的简称，也叫谐振器。英文名称是crystal，电路上简称为XTAL。

2) 无源晶振（晶体）一般是直插两个脚的无极性元件，需要借助时钟电路才能产生振荡信号。常见的有49U、49S封装。

3) 有源晶振（晶振）一般是表贴四个脚的封装，内部有时钟电路，只需供电便可产生振荡信号。一般分7050、5032、3225、2520几种封装形式。

晶体为无源的，一般是两个管脚，需要专门的时钟电路才可起振，像普通的单片机需外接晶体和两个电容。晶振为有源的（也称有源晶振），可以认为是晶体和外围电路的结合（晶振里面包含了晶体和起振电路）。一般是四个腿，有的有源晶振为单端输出，有的为差分输出。

有源晶振（简称晶振）一般是4个脚的封装，例如5032封装的贴片有源晶振：

其中有两个是电源引脚，另一个是振荡信号输出引脚，剩下一个是悬空的。信号输出引脚可以直接输出给单片机。

无源晶振（简称晶体）就是最常见的两脚封装：

这个平时使用的时候也叫做晶振，但是是不准确的，这个应该叫做晶体，或者叫无源晶振。这个需要专门的时钟电路和起振电容配合才能输出时钟信号。

以STM32单片机为例，其OSC_IN和OSC_OUT是外部时钟源HSE的输入引脚，STM32的HSE时钟可以使用晶体或者晶振提供时钟源：

我们知道晶体和晶振的区别就是在于有没有时钟电路，所以当使用外部晶体的话，STM32内部的HSE会提供时钟电路，和晶体连在一起相当于组成一个有源晶振。当使用外部有源晶振的时候，内部的时钟电路就没有必要了，直接将有源晶振的时钟输出引脚直接接到OSC_IN引脚，OSC_OUT引脚悬空即可，同时软件上需要将HSE的时钟电路旁路掉，也就是说外部有源晶振的输入时钟信号直接供给STM32的时钟树，详情可以参考数据手册的时钟章节。

三、单片机晶振电路中22pF和30pF电容的作用

单片机和其他一些IC的振荡电路的真名叫“三点式电容振荡电路”，如下图

Y1是晶体，相当于三点式里面的电感，C1和C2就是电容，5404非门和R1实现一个NPN的三极管，接下来分析一下这个电路。 5404必需要一个电阻，不然它处于饱和截止区，而不是放大区，R1相当于三极管的偏置作用，让5404处于放大区域，那么5404就是一个反相器，这个就实现了NPN三极管的作用，NPN三极管在共发射极接法时也是一个反相器。

大家知道一个正弦振荡电路要振荡的条件是，系统放大倍数大于1，这个容易实现，相位满足360度，与晶振振荡频率相同的很小的振荡就被放大了。接下来主要讲解这个相位问题：

5404因为是反相器，也就是说实现了180°移相，那么就需要C1，C2和Y1实现180°移相就可以，恰好，当C1，C2，Y1形成谐振时，能够实现180°移相，这个大家可以解方程等，把Y1当作一个电感来做。也可以用电容电感的特性，比如电容电压落后电流90°，电感电压超前电流90°来分析，都是可以的。当C1增大时,C2端的振幅增强，当C2降低时，振幅也增强。有些时候C1，C2不焊也能起振，这个不是说没有C1，C2，而是因为芯片引脚的分布电容引起的，因为本来这个C1，C2就不需要很大，所以这一点很重要。接下来分析这两个电容对振荡稳定性的影响。

因为5404的电压反馈是靠C2的，假设C2过大，反馈电压过低，这个也是不稳定，假设C2过小，反馈电压过高，储存能量过少，容易受外界干扰，也会辐射影响外界。C1的作用对C2恰好相反。因为我们布板的时候，假设双面板，比较厚的，那么分布电容的影响不是很大，假设在高密度多层板时，就需要考虑分布电容。

有些用于工控的项目，建议不要用无源晶振的方法来起振，而是直接接有源晶振。也是主要由于无源晶振需要起振的原因，而工控项目要求稳定性要好，所以会直接用有源晶振。在有频率越高的频率的晶振，稳定度不高，所以在速度要求不高的情况下会使用频率较低的晶振。很多时候大家会采用32.768K的时钟晶体来做时钟，而不是通过单片机的晶体分频来做时钟，其中原因想必很多人也不明白，其实上这是和晶体的稳定度有关：频率越高的晶体，Q值一般难以做高，频率稳定度也比较差；而 32.768K晶体在稳定度等各方面的性能表现都不错，还形成了一个工业标准，比较容易做高。另外值得一提的是，32.768K是16 bit数据的一半，预留最高1 bit进位标志，用作定时计数器内部数字计算处理也非常方便。